3.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

При подаче на р-n-переход внешнего напряжения процессы зависят от его полярности.

Внешнее напряжение, подключенное плюсом к р-области, а минусом к n-области, называют прямым напряжением U_пр. Напряжение U_пр почти полностью падает на р-n-переходе, так как его сопротивление во много раз превышает сопротивление р- и n-областей.

Полярность внешнего напряжения U_пр противоположна полярности контактной разности потенциалов U_к, поэтому электрическое поле, созданное на р-n-переходе внешним напряжением направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на р-n-переходе: φ=U_к–U_пр

Однако пока U_пр меньше U_K, еще существует потенциальный барьер; обедненный носителями заряда слой р-n-перехода имеет большое сопротивление, ток в цепи имеет малую величину.

При увеличении внешнего прямого напряжения до U_пр=U_к потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии слоя р-n-перехода, обедненного носителями заряда, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда из своей области в область с противоположным типом электропроводности. В результате этого через р-n-переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током I_пр, который с увеличением прямого напряжения растет.

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход из области, где они являются основными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барьера называют инжекцией. Движение основных носителей заряда через р-n-переход создает электрический ток во внешней цепи. Дрейф неосновных носителей заряда теплового происхождения в сторону от р-n-перехода внутрь области создает тепловой ток I_т. Тепловой ток на несколько порядков меньше диффузионного тока основных носителей заряда, т. е. прямого тока I_пр, и имеет противоположное ему направление.

Прямой ток создается встречным движением дырок и электронов через p-n-переход, направление его соответствует направлению движения положительных носителей заряда – дырок. Во внешней цепи прямой ток протекает от плюса источника прямого напряжения через полупроводниковый кристалл к минусу источника.

3.3. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Обратным напряжением U_обр называют внешнее напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности потенциалов; оно приложено плюсом к n-области, а минусом – к р-области. При этом потенциальный барьер возрастает; он численно равен сумме внутреннего и внешнего напряжений: φ=U_к+U_обр.

Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через p-n-переход, и она уменьшается, а при некотором значении U_обр совсем прекращается. Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряжением, основные носители заряда будут отходить от p-n-перехода. Соответственно расширяются слой, обедненный носителями заряда, и p-n-переход, причем его сопротивление возрастает.

Внутреннее электрическое поле в p-n-переходе, соответствующее возросшему потенциальному барьеру, способствует движению через переход неосновных носителей заряда. При приближении их к p-n-переходу электрическое поле захватывает их и переносит через p-n-переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из р-области в n-область, а дырки – из n-области в р-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток через p-n-переход очень мал. Ток, протекающий через p-n-переход при обратном напряжении, называют обратным током I_обр. Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током I_обр=I_т, который не зависит от обратного напряжения.

Процесс захватывания электрическим полем p-n-перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напряжении через p-n-переход в область с противоположным типом электропроводности называют экстракцией.